计算RESP原子电荷的超级懒人脚本(一行命令就算出结果)

计算RESP原子电荷的超级懒人脚本(一行命令就算出结果)

文/Sobereva@北京科音
First release: 2019-Apr-17  Last update: 2020-Feb-1


RESP电荷主要优点是特别适合对柔性分子做分子动力学计算。之前笔者写过《RESP拟合静电势电荷的原理以及在Multiwfn中的计算》(http://sobereva.com/441)一文,极其详细地介绍了RESP电荷,并结合实际例子充分展现了Multiwfn在计算RESP电荷上的强大性,可谓极度便利而且极度灵活,明显比Antechamber等其它能计算RESP的程序好用、方便得多得多得多。但在网上的答疑过程中,笔者也看到很多要计算RESP电荷的人完全是量子化学外行,甚至GaussView都不会用,Gaussian的关键词一点也不会写,需要一个极度傻瓜化的“一键”工具来计算RESP电荷,为此笔者在这里介绍一个基于Gaussian和Multiwfn的仅仅需要写一条命令就可以算出RESP电荷的Linux环境下的脚本,可谓将RESP电荷的计算极尽简化,不可能做到更简单了。

另外,笔者在《RESP2原子电荷的思想以及在Multiwfn中的计算》(http://sobereva.com/531)中介绍了RESP2电荷,在文中也提供了和本文使用方式基本一样的脚本RESP2.sh来专门用于一键计算RESP2电荷。如果你计算RESP电荷的目的是用于分子动力学模拟,笔者更建议用RESP2来算,有较大可能结果更好。


1 准备工作

在机子里安装Gaussian。不会装的话仔细看《Gaussian的安装方法及运行时的相关问题》(http://sobereva.com/439)。去http://sobereva.com/multiwfn下载Multiwfn最新版本。然后严格按照手册2.1.2节说的方式安装到Linux下面,从而能通过输入Multiwfn命令启动程序。

对Multiwfn目录下的examples\RESP\目录下的RESP.sh根据需要进行恰当的修改。此脚本默认调用的是g09,Gaussian16的用户应当将其中的g09替换为g16。此脚本默认为在B3LYP-D3(BJ)/def2-SVP级别下对结构进行优化,然后在B3LYP-D3(BJ)/def2-TZVP级别下计算单点能同时产生分子表面静电势数据,然后调用formchk把chk文件转化为fchk,最后调用Multiwfn产生RESP电荷。量化计算级别在这个脚本里都体现得很清楚,大家可以根据需要对关键词进行修改。Gaussian计算过程中使用了隐式溶剂模型表现溶剂环境,默认溶剂是水,可根据需要改成其它的。

此脚本默认的计算级别算出的RESP电荷的质量已经很好。几何优化部分如果算不动或者想显著降低耗时的话,可以把原有的关键词改为# PM6D3 opt,即使用PM6-D3半经验方法在真空中做优化,但这个级别只适合普通有机体系而且没有体系局部显离子特征的情况。单点任务部分算不动的话,可以把def2-TZVP降到6-311G**,如果是阴离子建议改为6-311+G**。有时候对柔性大体系的优化过程可能难收敛,可以尝试把opt改为诸如opt(loose,gdiis)之类使得达到收敛更容易的关键词,详见《量子化学计算中帮助几何优化收敛的常用方法》(http://sobereva.com/164)。

注意Gaussian09 D.01版本之前不支持DFT-D3校正,因此用老版本者应当把脚本里em=GD3BJ关键词取消,相关信息看《DFT-D色散校正的使用》(http://sobereva.com/210)。


2 使用脚本

将Multiwfn目录下的examples\RESP\目录下的RESP.sh拷到当前目录,使用chmod +x ./RESP.sh给它增加可执行权限。把含有分子结构信息的文件也拷到当前目录,格式必须是Multiwfn认识的(可以是xyz/mol/mol2/pdb/fch/wfn/molden/gjf等等)。然后运行下面的命令:

./RESP.sh [文件名] [净电荷] [自旋多重度]

比如./RESP.sh H2O.xyz 0 1。如果净电荷和自旋多重度不写,则分别默认为0和1。

计算完毕后,当前目录下就有了和输入文件同名的.chg文件。这是个文本文件,前四列是元素名和优化后的坐标,最后一列就是RESP电荷。以下是运算过程的输出例子:

[root@192 other2]# ./RESP.sh H2O.xyz
Net charge was not defined. Default to 0
Spin multiplicity was not defined. Default to 1
Running optimization task via Gaussian...
Done!
Running single point task via Gaussian...
Done!
Running formchk...
Running Multiwfn...
Finished! The optimized atomic coordinates with RESP charges (the last column) have been exported to H2O.chg in current folder

如果调用Gaussian运行失败,脚本就会自动停止,届时大家请仔细检查当前目录下的gau.out文件判断出错原因。

本文的做法只是以最一般的方式计算RESP电荷,如果需要更灵活的拟合方式,比如设置电荷等价性、设置某个片段总电荷为特定值等等,需要在Multiwfn的RESP模块的界面里进行设置,在《RESP拟合静电势电荷的原理以及在Multiwfn中的计算》(http://sobereva.com/441)文中有充分、详细的介绍。

如果你的体系里含有18号及以后的元素,由于Gaussian没有内置拟合静电势用的原子半径,因此无法通过以上脚本自动得到RESP电荷,而必须手动做Gaussian计算得到fch文件后自行利用Multiwfn按照http://sobereva.com/441说的操作来计算RESP电荷(届时也会提示缺半径,但按照屏幕上的提示,用Multiwfn自动推荐的半径即可)。

如果以本文的方式计算了RESP电荷,请别忘了引用Multiwfn原文。引用方式在《Multiwfn FAQ》(http://sobereva.com/452)里写明了。